Bakterite konjugatsioon: geneetilise materjali horisontaalne ülekandmine

Bakteriaalne konjugatsioon on geneetilise materjali ülekandmine bakterirakkude vahel otsese rakkudevahelise kontakti või kahe raku vahelise sildataolise ühenduse kaudu.

Konjugatsioon on horisontaalse geenisiirde mehhanism, nagu ka transformatsioon ja transduktsioon, kuigi need kaks muud mehhanismi ei hõlma rakkudevahelist kontakti.

Bakteriaalse konjugatsiooni avastasid Nobeli preemia laureaadid Joshua Lederberg ja Edward Tatum. Nad näitasid, et bakter Escherichia coli astus sugulise faasi, mille käigus ta võis jagada geneetilist teavet.

Bakteriaalset konjugatsiooni peetakse sageli ebaõigesti sugulise paljunemise ekvivalendiks, kuna see hõlmab geneetilise materjali vahetamist. Konjugatsiooni käigus annab doonorrakk konjugeeriva või mobiliseeritava geneetilise elemendi, mis on enamasti plasmiid või transposoon. Enamikul konjugatiivsetel plasmiididel on süsteemid, mis tagavad, et vastuvõtjarakk ei sisalda juba sarnast elementi.

Ülekantud geneetiline teave on sageli kasulik vastuvõtjale. Kasu võib hõlmata antibiootikumiresistentsust, ksenobiootikumide taluvust või võimet kasutada uusi metaboliite. Selliseid kasulikke plasmiide võib pidada bakteriaalseteks endosümbiontideks. Muid elemente võib aga vaadelda kui bakteriaalseid parasiite ja konjugatsiooni kui nende poolt välja arendatud mehhanismi, mis võimaldab nende levikut.

Konjugatsiooni mehhanism lühidalt

Konjugatsioon nõuab tavaliselt kahte rakku: doonorit (millel on konjugatiivne element) ja vastuvõtjat. Peamised sammud on:

• Tuvastamine ja ühenduse teke: doonorrakul on sageli pinnal sex pilus ehk konjugatiivne pilus, mis kinnitub vastuvõtjarakule ja tõmbab rakud lähemale.
• DNA lõikamine ja lõdvitamine: konjugatiivne plasmiid kodeerib ensüümi (relaksaaasi), mis lõikab ühte plasmiidi DNA ahelat lähtepunktis, mida nimetatakse oriT (origin of transfer).
• Siirdumine: ühe ahela DNA (ssDNA) transporditakse läbi konjugeeriva piluse või tihedama kontaktsilla vastuvõtjarakku.
• Replikatsioon ja ringistumine: nii doonor- kui ka vastuvõtjarakus sünteesitakse puuduva ahela paarne koopia, nii et mõlemas tekib taas kaksitiheline plasmiid.
• Taastumine ja integratsioon: mõnikord võib siirdunud element integreeruda kromosoomi (näiteks Hfr-struktuurid), võimaldades kromosomaalse DNA osa ülekannet.

Olulisemad terminid ja variandid

• Konjugatiivsed plasmiidid: sisaldavad kõiki vajalikke geene DNA ümberlõikamiseks, siirdamiseks ja piluse ülesehituseks.
• Mobiliseeritavad plasmiidid: ei kodeeri täielikku ülekandesüsteemi, kuid võivad siirduda koos konjugatiivse plasmiidiga.
• Hfr (high frequency recombination) rakud: tekivad siis, kui plasmid integreerub kromosoomi; sel juhul võib osa kromosomaalsest DNAst siirduda doonorilt vastuvõtjale.
• Entry ja surface exclusion: mehhanismid, mis takistavad identsete plasmidide korduvat sissetoomist samasse rakku.

Konjugatsiooni bioloogiline tähendus

Konjugatsioon on oluline mikroobsete kogukondade evolutsioonis ja ökosüsteemides, sest see võimaldab kiiret geenivahetust mitmete funktsioonide jaoks:

• levitab antibiootikumiresistentsuse geene (millel on suur meditsiiniline tähtsus);
• edendab võimet lagundada uusi kemikaale või ksenobiootikume;
• suurendab populatsioonide geneetilist mitmekesisust ja kohanemisvõimet;
• mõnel juhul võimaldab sümbiootiliste või patogeensete omaduste kiiret levikut, mõjutades nii ökosüsteeme kui ka inimese tervist.

Konjugatsiooni uurimine ja kasutus laboris

Laboratoorselt kasutatakse konjugatsiooni tööriistana geneetilises manipuleerimises ja pärilikkuse uurimises. Levinud meetodid hõlmavad:

• filtrimatingu (filter mating) katseid ja selektiivseid plate, et hinnata siirdefrekventsust;
• Hfr- ja F-plasmidi süsteeme geneetiliste kaartide koostamisel;
• konjugatsiooni kasutamist geenide mobiliseerimiseks või vahetamiseks eri bakterite vahel, sealhulgas biotehnoloogilistes rakendustes.

Ennetus ja kontroll

Arvestades konjugatsiooni rolli resistentsuse levikus, uuritakse mitmeid strateegiaid selle peatamiseks või aeglustamiseks:

• antibiootikumide säästlikum kasutamine ja ravimiresistentsuse jälgimine;
• konjugatsiooni inhibeerivate molekulide ja vaktsiinide arendamine;
• bioohutuse meetmed laboris ja tööstuses, et vältida resistentsete elementide lekkimist keskkonda;
• alternatiivsete ravistrateegiate (nt fágiteraapia) uurimine.

Järeldus

Konjugatsioon on bakterite oluline ja efektiivne horisontaalse geenisiirde viis, millel on nii kasulikku rolli (metaboolne mitmekesisus, kohanemine) kui ka potentsiaalselt kahjulikke tagajärgi (antibiootikumiresistentsuse levik). Mõistmine, kuidas konjugatsioon töötab ja kuidas seda kontrollida, on võtmetähtsusega nii mikrobioloogia teaduskirjanduses kui ka avaliku tervise strateegiates.

Mehhanism

Põhiline konjugatiivne plasmiid on F-plasmiid ehk F-faktor. F-plasmiid on episoom (plasmiid, mis võib integreeruda bakteri kromosoomi), mille pikkus on umbes 100 000 aluspaari.

F-plasmiidist võib olla antud bakteris ainult üks koopia, kas vaba või integreeritud, ja baktereid, millel on üks koopia, nimetatakse F-positiivseteks või F-plusseks (tähistatakse F ⁺). Rakke, millel puudub F-plasmiid, nimetatakse F-negatiivseteks või F-miinuseks (F ) ^-ja need võivad toimida retsipiendirakkudena.

Bakteriaalse konjugatsiooni skemaatiline joonis. Konjugatsiooni skeem 1- Doonorrakk toodab pilus. 2- Pilus kinnitub retsipiendirakule ja ühendab kaks rakku. 3- Mobiilne plasmiid nikastub ja seejärel kantakse üks DNA-sirm retsipiendirakule. 4- Mõlemad rakud sünteesivad komplementaarse ahela, et toota kahesuunaline ringplasmiid ja paljundada ka pili; mõlemad rakud on nüüd elujõulised doonorid.

Küsimused ja vastused

K: Mis on bakteriaalne konjugatsioon?

K: Millised on teised horisontaalse geeniedastuse mehhanismid?

K: Kes avastas bakteriaalse konjugatsiooni?

K: Mida näitasid Lederberg ja Tatum Escherichia coli konjugatsiooni käigus?

K: Mida annab konjugatsiooni ajal doonorrakk?

K: Millised on konjugatsiooni käigus ülekantud geneetilise informatsiooni eelised?

K: Kuidas võib vaadelda mõningaid konjugatsiooni käigus ülekantud elemente?

Otsing